JP2006504851A - Heat transfer fluid containing difluoromethane and carbon dioxide - Google Patents
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Abstract
極めて望ましくて予想外に優れた特性の組み合わせを有する伝熱流体、およびこれらの流体をベースとした熱移動システムと方法が開示されている。本発明の伝熱流体は、モル基準にて約30〜約70%の二酸化炭素(CO2)とモル基準にて約30〜約70%のハイドロフルオロカーボン(HFC)〔好ましくは1〜2個の炭素原子を有するHFC、さらに好ましくはジフルオロメタン(HFC-32)〕を含む。本発明の好ましい流体は40°Fにて少なくとも約100psiaの蒸気圧を有し、共沸性ではないのがさらに好ましい。Heat transfer fluids having a highly desirable and unexpectedly superior combination of properties, and heat transfer systems and methods based on these fluids are disclosed. The heat transfer fluids of the present invention, from about 30 to about 70% by molar basis carbon dioxide (CO 2) from about 30 to about 70 percent of the hydrofluorocarbon at a mole basis (HFC) [preferably 1-2 HFC having a carbon atom, more preferably difluoromethane (HFC-32)]. More preferably, the preferred fluids of the present invention have a vapor pressure of at least about 100 psia at 40 ° F. and are not azeotropic.
Description
(発明の分野)
本発明は伝熱流体に関し、さらに詳細には、ジフルオロメタンと二酸化炭素を含有する伝熱流体に関する。
(Field of Invention)
The present invention relates to a heat transfer fluid, and more particularly to a heat transfer fluid containing difluoromethane and carbon dioxide.
(発明の背景)
流体と冷却もしくは加温すべき物体との間で、種々の異なった状況において熱を選択的に移動させることが求められている。本明細書で使用している“物体(body)”とは、固形物体だけでなく、固形物体がその中に存在する容器の形をとった他の流体物質も表わしている。
(Background of the invention)
There is a need to selectively transfer heat in a variety of different situations between a fluid and an object to be cooled or heated. As used herein, "body" refers not only to solid objects, but also to other fluid substances in the form of containers in which solid objects are present.
このような熱移動を果たすためのよく知られているあるシステムは、先ず気相伝熱流体を加圧し、次いでジュール・トムソン膨張エレメント(たとえば、弁、オリフィス、または他のタイプの流れ狭窄物)に通して膨張させることによって物体の冷却を果たす。このような全てのデバイスを以後、単にジュール・トムソン“膨張エレメント”と呼び、このようなエレメントを使用するシステムを、本明細書ではジュール・トムソンシステムと呼ぶことがある。ほとんどのジュール-トムソンシステムにおいては、単一成分である非理想気体を加圧し、次いで絞り構成要素または膨張エレメントに通して等エンタルピー冷却を生じさせる。使用する気体の特性(たとえば、沸点、逆転温度、臨界温度、および臨界圧力)が、所望の冷却温度に達するのに必要とされる始動圧力に影響を及ぼす。このような特性は、いずれも一般によく知られており、および/または、単一成分流体の場合には、受け入れ可能な確度にて予測するのが比較的容易であるけれども、多成分流体の場合には必ずしも予測どおりにはならない。 One well-known system for accomplishing this heat transfer is to first pressurize the gas phase heat transfer fluid and then to the Joule-Thomson expansion element (e.g., a valve, orifice, or other type of flow constriction) The object is cooled by being expanded through. All such devices are hereinafter simply referred to as Joule Thomson “expansion elements”, and systems using such elements may be referred to herein as Joule Thomson systems. In most Joule-Thompson systems, a single component non-ideal gas is pressurized and then passed through a throttling component or expansion element to cause isenthalpy cooling. The characteristics of the gas used (eg, boiling point, reversal temperature, critical temperature, and critical pressure) will affect the starting pressure required to reach the desired cooling temperature. All of these properties are generally well known and / or for single component fluids, although relatively easy to predict with acceptable accuracy, for multicomponent fluids Is not always as expected.
伝熱流体の有効性と望ましさに関連した多くの性質もしくは特性のために、任意の特定の多成分流体が伝熱流体としてどのように機能するかを、あらかじめ予測するのは困難である場合が多い。たとえば、Bivensによる米国特許第5,774,052号は、特定の用途における冷媒として利点を有するとされている共沸流体(azeotropic fluid)の形態の、ジフルオロメタン(HFC-32)とペンタフルオロエタンと少量(すなわち最大で5重量%)の二酸化炭素との組み合わせ物を開示している。さらに詳細には、Bivensの多成分流体は不燃性であるとされており、またその共沸特性のゆえに、気化させても分別されることは殆どないとされている。しかしながら、Bivensの特許に記載の量での成分組み合わせ物からは比較的低い蒸気圧を有する流体が得られ、このことは、特定の用途(たとえば、かなり高い冷却能力を有する流体を必要とする用途、あるいは低温冷却が必要とされる用途)に対しては望ましくないことがある。Bivensの流体はさらに、地球温暖化の観点から、場合によっては環境面で有害であるような比較的フッ素化度の高い化合物で構成されている。さらに、共沸特性を有する流体を得ることは、こうした流体が冷媒として使用されるときには、場合によっては流体のコストを大幅に増大させることがある。 When it is difficult to predict in advance how any particular multicomponent fluid will function as a heat transfer fluid because of the many properties or characteristics associated with the effectiveness and desirability of the heat transfer fluid There are many. For example, U.S. Pat. A combination with up to 5% by weight of carbon dioxide is disclosed. More specifically, Bivens multi-component fluids are considered non-flammable and, due to their azeotropic properties, are rarely fractionated when vaporized. However, component combinations in quantities as described in the Bivens patent provide fluids with relatively low vapor pressures, which can be used in certain applications (e.g., applications that require fluids with significantly higher cooling capabilities). Or applications where low temperature cooling is required). Bivens fluids are further composed of relatively highly fluorinated compounds that are sometimes environmentally harmful from a global warming perspective. Furthermore, obtaining fluids with azeotropic properties may in some cases greatly increase the cost of the fluid when such fluid is used as a refrigerant.
Richardらによる米国特許第5,763,063号は、HFC-32を含めた種々のハイドロカーボンと二酸化炭素との非共沸組み合わせ物を開示しており、こうした組み合わせ物は、クロロジフルオロメタン(HCFC-22)の代替物として受け入れ可能であるとされている流体を形成する。Richardらの特許は特に、この流体の蒸気圧がHCFC-22の蒸気圧(40°Fにおいて約83psiaにすぎない)に実質的に等しいということを説明している。したがって、Richardらの流体は特定の冷却用途に対しては旨く機能すると考えられるけれども、Bivensの流体に関して上記したのと同じタイプの用途に対しては不十分であると見なすことができる。 U.S. Pat. Forms a fluid that is said to be acceptable as an alternative. The Richard et al. Patent specifically explains that the vapor pressure of this fluid is substantially equal to the vapor pressure of HCFC-22 (only about 83 psia at 40 ° F.). Thus, although Richard et al.'S fluid may function well for certain cooling applications, it can be considered insufficient for the same types of applications described above for Bivens fluids.
(発明の概要)
本出願者らは、予想外に優れていて、極めて望ましい特性組み合わせを有する伝熱流体、およびこうした伝熱流体をベースとする伝熱システムと方法を見出した。好ましい実施態様においては、本発明の流体は、従来からCFCに関連しているとされている特性(化学的安定性、低毒性、不燃性、および使用効率を含む)を有すると同時に、この種の冷媒がもつ有害なオゾン層破壊可能性を実質的に減少させるか又は解消する。本発明の好ましい実施態様はさらに、従来から使用されている伝熱流体に付随する負の地球温暖化効果を実質的に減少させるか又は解消するような冷媒を提供する。たとえば、低温の空調用途、冷却用途、およびヒートポンプ用途においては、こうした達成するのが困難な特性組み合わせが重要なポイントである。
(Summary of Invention)
Applicants have discovered heat transfer fluids that are unexpectedly superior and have a highly desirable combination of properties, and heat transfer systems and methods based on such heat transfer fluids. In a preferred embodiment, the fluids of the present invention have the properties traditionally associated with CFCs (including chemical stability, low toxicity, nonflammability, and efficiency of use) while at the same time Substantially reduce or eliminate the potential ozone depletion potential of any refrigerant. Preferred embodiments of the present invention further provide refrigerants that substantially reduce or eliminate the negative global warming effects associated with conventionally used heat transfer fluids. For example, in a low-temperature air conditioning application, a cooling application, and a heat pump application, such a difficult combination of characteristics is an important point.
したがって本発明は、モル基準にて約30〜約70%の二酸化炭素(CO2)と、モル基準にて約30〜約70%のハイドロフルオロカーボン(HFC)とを含んだ伝熱流体を提供する。HFCは、1〜2個の炭素原子を有するのが好ましく、ジフルオロメタン(HFC-32)であるのがさらに好ましい。本明細書で使用している“ハイドロフルオロカーボン”とは、炭素原子、水素原子、およびフッ素原子を含有していて、塩素原子を含有しない化合物を意味している。ハイドロカーボンがHFC-32の過半量を構成しているような実施態様では、およびさらに好ましくは、ハイドロカーボンが本質的にHFC-32からなるような実施態様では、伝熱流体は、約30〜約85重量%の二酸化炭素(CO2)と約15〜約70重量%のハイドロフルオロカーボンを含むのが好ましい。本発明の好ましい流体は、40°Fにおいて少なくとも約100psiaの蒸気圧を有する。本発明の流体はさらに共沸ではないのが好ましい。 Accordingly, the invention is about 30 to about 70% of carbon dioxide at a molar basis (CO 2), provides laden heat transfer fluid and from about 30 to about 70% of hydrofluorocarbon (HFC) at molar basis . HFC preferably has 1 to 2 carbon atoms, and more preferably difluoromethane (HFC-32). As used herein, “hydrofluorocarbon” means a compound containing a carbon atom, a hydrogen atom, and a fluorine atom, and no chlorine atom. In embodiments where the hydrocarbon constitutes a majority of HFC-32, and more preferably, in embodiments where the hydrocarbon consists essentially of HFC-32, the heat transfer fluid is about 30 to Preferably, it comprises about 85% by weight carbon dioxide (CO 2 ) and about 15 to about 70% by weight hydrofluorocarbon. Preferred fluids of the present invention have a vapor pressure of at least about 100 psia at 40 ° F. It is further preferred that the fluid of the present invention is not azeotropic.
(好ましい実施態様の詳細な説明)
伝熱流体
本発明の好ましい伝熱流体はハイドロフルオロカーボンとCO2を含み、そして好ましくは本質的にハイドロフルオロカーボンとCO2からなる。ハイドロフルオロカーボンの種類と相対的な量は、少なくとも約1.9の性能係数(性能係数については後述する)を有していて、これと同時に、好ましくは必要に応じて不燃性であるような伝熱流体が得られるように選択するのが好ましい。本明細書で使用している“不燃性”流体とは、空気中であらゆる割合において不燃性(ASTM E-681によって測定)であるような流体を表わしている。
Detailed Description of Preferred Embodiments
Preferred heat transfer fluid of the heat transfer fluid present invention includes hydrofluorocarbons and CO 2, and preferably consists essentially of hydrofluorocarbons and CO 2. The type and relative amount of hydrofluorocarbon has a performance factor of at least about 1.9 (the performance factor will be described below) and at the same time preferably a heat transfer fluid that is preferably non-combustible if necessary It is preferable to select such that As used herein, a “non-flammable” fluid refers to a fluid that is non-flammable (measured by ASTM E-681) in any proportion in air.
ハイドロフルオロカーボンがHFC-32を含む実施態様では、約0.3〜約1.5(さらに好ましくは約0.4〜約1.4、さらに好ましくは約0.4〜約0.7)のHFC-32:CO2重量比を有する流体の場合に有利な特性が予想外に達成される。特定の実施態様においては、本発明の伝熱流体がハイドロフルオロカーボンとCO2以外の成分を含有してもよいと考えられるが、一般には、これら2つの成分が合わさって伝熱流体の過半量を、そしてさらに好ましくは伝熱流体の少なくとも約90重量%を構成するのが好ましい。特定の実施態様(たとえば、性能と不燃性の両方が特に重要であるような実施態様)においては、伝熱流体が、約45〜約75モル%のCO2と約15〜約55モル%のハイドロフルオロカーボンを含み、そして好ましくは、約45〜約75モル%のCO2と約15〜約55モル%のハイドロフルオロカーボンからなり、約54〜約75モル%のCO2と約25〜約45モル%のハイドロフルオロカーボン(好ましくはHFC-32)を含んだ伝熱流体がさらに好ましい。極めて好ましい実施態様においては、伝熱流体は、本質的にハイドロフルオロカーボン(好ましくはHFC-32)とCO2からなり、そして特定の実施態様においては、ハイドロフルオロカーボン(好ましくはHFC-32)とCO2からなる。 In embodiments where the hydrofluorocarbon comprises HFC-32, for a fluid having an HFC-32: CO 2 weight ratio of about 0.3 to about 1.5 (more preferably about 0.4 to about 1.4, more preferably about 0.4 to about 0.7). Advantageous properties are achieved unexpectedly. In certain embodiments, it is contemplated that the heat transfer fluid of the present invention may contain components other than hydrofluorocarbons and CO 2 , but in general these two components combine to make up the majority of the heat transfer fluid. And more preferably comprises at least about 90% by weight of the heat transfer fluid. Specific embodiments in (for example, embodiments such as both performance and non-flammable is particularly important), the heat transfer fluid, and from about 45 to about 75 mole% of CO 2 from about 15 to about 55 mole% And preferably comprises about 45 to about 75 mole percent CO 2 and about 15 to about 55 mole percent hydrofluorocarbon, about 54 to about 75 mole percent CO 2 and about 25 to about 45 moles. More preferred is a heat transfer fluid containing% hydrofluorocarbon (preferably HFC-32). In a highly preferred embodiment, the heat transfer fluid is essentially hydrofluorocarbon (preferably HFC-32) consists of a CO 2, and in certain embodiments, hydrofluorocarbon (preferably HFC-32) and CO 2 Consists of.
本発明の伝熱流体は、さまざまな伝熱用途での使用に対して対応可能であり、このような用途は全て本発明の範囲内に含まれる。本発明の流体は、地球温暖化効果が低いか又は無視しうるような、およびオゾン層の破壊が少ないか又は全くないような高効率で不燃性の冷媒の使用を必要とする、および/またはこうした冷媒を使用することで益を得ることができる用途と組み合わせると、特定の利点および予想外に有益な特性がもたらされる。本発明の流体はさらに、低温冷却の用途(たとえば、冷媒が約−40°F以下の温度で供給され、比較的高い冷却能力を有する用途)に対して利点をもたらす。この点で本発明の実施態様においては、伝熱流体が、40°Fでの測定にて少なくとも約150psiaの蒸気圧を有するのが好ましく、少なくとも約200psiaの蒸気圧を有するのがさらに好ましく、少なくとも約280psiaの蒸気圧を有するのがさらに好ましい。 The heat transfer fluid of the present invention can be adapted for use in a variety of heat transfer applications, and all such applications are within the scope of the present invention. The fluids of the present invention require the use of highly efficient and non-flammable refrigerants that have low or negligible global warming effects and little or no destruction of the ozone layer, and / or When combined with applications that can benefit from the use of such refrigerants, certain advantages and unexpectedly beneficial properties are provided. The fluids of the present invention further provide advantages for cryogenic cooling applications (eg, applications where the refrigerant is supplied at a temperature below about −40 ° F. and has a relatively high cooling capacity). In this regard, in embodiments of the present invention, the heat transfer fluid preferably has a vapor pressure of at least about 150 psia, more preferably at least about 200 psia, as measured at 40 ° F. More preferably, it has a vapor pressure of about 280 psia.
本発明の好ましい伝熱流体は、流体の個々の成分よりも高い、および/またはこれまで使用されてきた多くの冷媒よりも高い性能係数(COP)を示す、という点において極めて効率が高い。特定の実施態様においては、本発明の伝熱流体は、少なくとも約1.9(さらに好ましくは少なくとも約2.0、さらに好ましくは少なくとも約2.1)のCOPを有する。“COP”という用語は当業者によく知られており、特定の運転条件での冷媒の理論性能(標準的な冷却サイクル解析法を使用して冷媒の熱力学的特性から概算する)に基づいている。たとえば、R.C.Downingによる「フルオロカーボン冷媒ハンドブック,Ch.3,Prentice-Hall(1988)」(該文献を参照により本明細書に含める)を参照のこと。性能係数(COP)は、冷媒の蒸発もしくは凝縮を含む特定の加熱または冷却サイクルにおける冷媒の相対的な熱力学的効率を表示する上で特に有用な、広く受け入れられている尺度である。COPは、有用な冷却と、蒸気を圧縮する際に圧縮機によって加えられるエネルギーとの比の目安に関するものであり、したがって所定の圧縮機が、伝熱流体(たとえば冷媒)の所定の体積流量に対して多量の熱をポンプ送りすることのできる能力を表わしている。言い換えると、ある特定の圧縮機が与えられた場合、より高いCOPを有する冷媒は、より多くの冷却力または加熱力を供給する。本発明の明細書および特許請求の範囲の目的に適うよう、伝熱流体のCOPは、本明細書の比較例1に記載のプロセスパラメーターにしたがって測定した流体のCOPを表わしている。 Preferred heat transfer fluids of the present invention are extremely efficient in that they exhibit higher coefficients of performance (COP) than the individual components of the fluid and / or than many refrigerants that have been used so far. In certain embodiments, the heat transfer fluid of the present invention has a COP of at least about 1.9 (more preferably at least about 2.0, more preferably at least about 2.1). The term “COP” is well known to those skilled in the art and is based on the theoretical performance of the refrigerant under specific operating conditions (estimated from the thermodynamic properties of the refrigerant using standard cooling cycle analysis methods). Yes. See, for example, “Fluorocarbon Refrigerant Handbook, Ch. 3, Prentice-Hall (1988)” by R. C. Downing, which is incorporated herein by reference. The coefficient of performance (COP) is a widely accepted measure that is particularly useful for displaying the relative thermodynamic efficiency of a refrigerant in a particular heating or cooling cycle, including refrigerant evaporation or condensation. COP relates to a measure of the ratio between useful cooling and the energy applied by the compressor when compressing the steam, so that a given compressor will deliver a given volume flow of heat transfer fluid (e.g., refrigerant). In contrast, it represents the ability to pump large amounts of heat. In other words, given a particular compressor, a refrigerant with a higher COP supplies more cooling or heating power. For purposes of the present specification and claims, the COP of the heat transfer fluid represents the COP of the fluid as measured according to the process parameters described in Comparative Example 1 herein.
前述したように、伝熱流体の特性を要求にしたがって適応させるよう、当業者に公知の追加成分を混合物に加えることができる。
方法とシステム
本発明の方法態様は、本発明の伝熱流体を使用して物体に熱を移動させるか、あるいは物体から熱を移動させることを含む。当業者にとっては言うまでもないことであるが、本明細書に記載の開示内容を考慮しつつ、多くの公知の方法を、本発明と組み合わせて使用できるように適合させることができる。このような方法も全て本発明の広い範囲内に含まれる。たとえば、蒸気圧縮サイクルは、冷却に対して通常使用される方法である。その最も単純な形においては、蒸気圧縮サイクルは、本発明の伝熱流体を液体形態にて供給すること；および、一般には比較的低い圧力での熱吸収により冷媒を液相から気相に変え、次いで一般には高圧での熱除去により冷媒を気相から液相に変えること；を含む。このような実施態様では、本発明の冷媒が1つ以上の容器(たとえば蒸発器)中にて気化され、気化された冷媒が、冷却しようとする物体と直接的または間接的に接触するようになる。蒸発器中の圧力は、伝熱流体の気化が、冷却しようとする物体の温度より低い温度にて行われるような圧力である。したがって熱が物体から冷媒に流れ、冷媒の気化が引き起こされる。次いで伝熱流体が好ましくは圧縮機等によって取り出され、この圧縮機が速やかに、蒸発器中に比較的低い圧力を保持するように作動し、蒸気を比較的高い圧力に圧縮する。圧縮機によって機械的エネルギーが加わることで、一般には蒸気の温度が上昇する。次いで高圧の蒸気が1つ以上の容器(好ましくは凝縮器)に移動し、このときより低い温度の媒体との熱交換によって顕熱と潜熱が除去され、その後に凝縮が起こる。次いで、液体冷媒(必要に応じてさらなる冷却を行う)が膨張弁に移動し、再びサイクルに入れる状態になる。
As previously mentioned, additional components known to those skilled in the art can be added to the mixture to adapt the properties of the heat transfer fluid according to requirements.
Methods and Systems A method aspect of the present invention involves transferring heat to or from an object using the heat transfer fluid of the present invention. It will be appreciated by those skilled in the art that many known methods can be adapted for use in conjunction with the present invention in view of the disclosure provided herein. All such methods are also within the broad scope of the present invention. For example, the vapor compression cycle is a commonly used method for cooling. In its simplest form, the vapor compression cycle provides the heat transfer fluid of the present invention in liquid form; and generally changes the refrigerant from the liquid phase to the gas phase by heat absorption at a relatively low pressure. And then changing the refrigerant from the gas phase to the liquid phase, generally by heat removal at high pressure. In such embodiments, the refrigerant of the present invention is vaporized in one or more containers (e.g., an evaporator) so that the vaporized refrigerant is in direct or indirect contact with the object to be cooled. Become. The pressure in the evaporator is such that the heat transfer fluid is vaporized at a temperature lower than the temperature of the object to be cooled. Therefore, heat flows from the object to the refrigerant, causing the refrigerant to vaporize. The heat transfer fluid is then preferably removed, such as by a compressor, which quickly operates to maintain a relatively low pressure in the evaporator and compresses the steam to a relatively high pressure. Adding mechanical energy by the compressor generally increases the temperature of the steam. The high pressure steam then moves to one or more vessels (preferably a condenser), where sensible heat and latent heat are removed by heat exchange with a lower temperature medium, followed by condensation. The liquid refrigerant (with further cooling if necessary) then moves to the expansion valve and enters the cycle again.
1つの実施態様においては、本発明は、遠心冷凍機中にて伝熱流体を圧縮すること(一段階であっても、あるいは多段階であってもよい)を含む、冷却しようとする物体から本発明の伝熱流体に熱を移動させるための方法を提供する。本明細書で使用している“遠心冷凍機”とは、本発明の伝熱流体の圧力を増大させる1つ以上の部品で構成される装置を表わしている。 In one embodiment, the present invention is directed to an object to be cooled comprising compressing a heat transfer fluid in a centrifugal refrigerator (which may be single or multi-stage). A method for transferring heat to the heat transfer fluid of the present invention is provided. As used herein, “centrifugal refrigerator” refers to a device comprised of one or more components that increase the pressure of the heat transfer fluid of the present invention.
本発明の方法はさらに、たとえばヒートポンプ(エネルギーをより高い温度で物体に加えるのに使用することができる)において行われるように、エネルギーを伝熱流体から加熱しようとする物体に移動させることを提供する。ヒートポンプは逆サイクルシステムであると考えられる。なぜなら、一般には、凝縮器の運転が冷却用蒸発器の運転と入れ替わるからである。 The method of the present invention further provides for transferring energy from a heat transfer fluid to an object to be heated, such as performed in a heat pump (which can be used to apply energy to an object at a higher temperature). To do. The heat pump is considered to be a reverse cycle system. This is because the operation of the condenser is generally replaced with the operation of the cooling evaporator.
本発明はさらに、物体あるいは物体のかなり小さな部分を極めて低い温度に冷却するための方法、システム、および装置〔本明細書では便宜上、ミクロフリージング(micro-freezing)と呼ぶことがあるが、これに限定されない〕を提供する。本発明のミクロフリージング法にしたがって冷却しようとする物体は、生体物質や電子部品等を含んでよい。特定の実施態様においては、本発明は、極めて小さな、すなわち顕微鏡的とも言える物体を、周囲の物体の温度に実質的に影響を及ぼすことなく極めて低い温度に選択的に冷却するための方法を提供する。このような方法(本明細書では“選択的ミクロフリージング”と呼ぶことがある)は、幾つかの分野において(たとえば、隣接した部品を実質的に冷却することなく、回路基板上の小型部品に冷却を施すのが望ましい、という場合のエレクトロニクス分野において)有利である。このような方法はさらに、凍結外科手術の実施に際して、隣接した組織を実質的に冷却することなく、生体組織の小さな個別の部分を極めて低い温度に冷却するのが望ましい、という場合において医学の分野で利点をもたらす。 The present invention further provides methods, systems, and apparatus for cooling an object or a fairly small portion of an object to a very low temperature (sometimes referred to herein as micro-freezing for convenience) Not limited). The object to be cooled according to the micro freezing method of the present invention may include biological materials, electronic components, and the like. In certain embodiments, the present invention provides a method for selectively cooling very small, i.e., microscopic, objects to very low temperatures without substantially affecting the temperature of surrounding objects. To do. Such a method (sometimes referred to herein as “selective microfreezing”) is used in some areas (for example, on small components on a circuit board without substantially cooling adjacent components). This is advantageous (in the electronics field when cooling is desired). Such a method is further used in the field of medicine in the case of performing cryosurgery where it is desirable to cool small discrete portions of living tissue to a very low temperature without substantially cooling adjacent tissue. With benefits.
本発明の凍結外科手術法としては、内科(たとえば、婦人科、皮膚科、神経外科、および泌尿器科)、歯科、および獣医科の処置法があるが、これらに限定されない。残念なことに、選択的ミクロフリージングを実施するための現在知られている機器や方法は、このような分野での使用を困難もしくは不可能にする幾つかの制約を受けている。具体的に言うと、公知のシステムは、内視鏡的および経皮的な凍結外科手術での広範囲に及ぶ使用を可能にするだけの充分な精度と融通性を有しているわけではない。 The cryosurgery methods of the present invention include, but are not limited to, internal medicine (eg, gynecology, dermatology, neurosurgery, and urology), dental, and veterinary procedures. Unfortunately, currently known equipment and methods for performing selective microfreezing are subject to several limitations that make it difficult or impossible to use in such areas. Specifically, the known systems are not accurate and flexible enough to allow widespread use in endoscopic and percutaneous cryosurgery.
本発明の方法とシステムの1つの大きな利点は、比較的単純な装置を必要とするような、および/または適度に高い圧力だけを必要とするようなシステムと方法を使用して比較的低温の冷却をもたらす能力にある。これとは対照的に、従来技術の典型的な凍結外科手術法は、液体窒素または亜酸化窒素を冷却液として使用した。通常は、破壊しようとする組織上に液体窒素を噴霧するか、あるいは組織に施されるプローブを冷却するように液体窒素を循環させる。液体窒素は、約77°Kという極めて低い温度と高い冷却能力を有することから、こうした目的に対して極めて望ましいものである。しかしながら、液体窒素は通常、使用中に蒸発して大気中に逃げていくので、貯蔵タンクの継続的な取り替えが必要となる。さらに、液体窒素は非常に低温なので、液体窒素の施しのために使用されるプローブと他の装置には、周囲の組織を保護するための真空ジャケットまたは他のタイプの断熱部材が必要とされる。このためプローブは、比較的複雑で、バルキーで、且つ剛性となり、したがって、内視鏡的な使用または血管内での使用に対しては不適切となる。比較的バルキーな供給ホース(supply hoses)が必要になること、および全ての関連部材を連続的に冷却する必要があることから、液体窒素機器は、医師にとってあまり具合の良いものではなく、さらには好ましくない組織損傷を引き起こすことがある。さらに、凍結外科手術において使用される亜酸化窒素系では、約190°K〜210°K以上という実際的な冷却温度に達するためにガスが700〜800psiaに加圧される。 One significant advantage of the method and system of the present invention is that it is relatively cool to use a system and method that requires relatively simple equipment and / or requires only reasonably high pressure. In ability to bring cooling. In contrast, typical cryosurgery techniques of the prior art used liquid nitrogen or nitrous oxide as the coolant. Usually, liquid nitrogen is sprayed onto the tissue to be destroyed, or liquid nitrogen is circulated to cool the probe applied to the tissue. Liquid nitrogen is highly desirable for these purposes because it has a very low temperature of about 77 ° K and a high cooling capacity. However, liquid nitrogen typically evaporates during use and escapes to the atmosphere, necessitating continuous replacement of the storage tank. In addition, since liquid nitrogen is very cold, probes and other devices used for liquid nitrogen application require a vacuum jacket or other type of thermal insulation to protect the surrounding tissue. . This makes the probe relatively complex, bulky and rigid and therefore unsuitable for endoscopic or intravascular use. Due to the need for relatively bulky supply hoses and the continuous cooling of all relevant components, liquid nitrogen equipment is not very well suited for physicians, and even May cause undesirable tissue damage. Further, in the nitrous oxide system used in cryosurgery, the gas is pressurized to 700-800 psia to reach a practical cooling temperature of about 190 ° K-210 ° K or higher.
本発明の好ましいシステムと方法においては(特に、レーザー装置、超伝導体、およびエレクトロニクス部品の製造における、ならびに凍結外科手術における冷却装置の使用においては)、本発明のシステムと方法は、本発明の伝熱流体および約420psia未満の流体降下圧力(a fluid let-down pressure)を使用することで効果的に且つ高い効率で作動する。 In the preferred systems and methods of the present invention (especially in the manufacture of laser devices, superconductors, and electronics components, and in the use of cooling devices in cryosurgery), the systems and methods of the present invention Operates effectively and with high efficiency by using heat transfer fluid and a fluid let-down pressure of less than about 420 psia.
本発明の好ましいミクロフリージングシステムと方法は、フィン付きチューブ熱交換器を必要とせず、またフィン付きチューブ熱交換器を使用しないのが好ましい。なぜなら、このような装置は、要求される小さなエリアの正確な冷却を達成するためには、かなりバルキーになる傾向があるからである。好ましい実施態様においては、本発明のシステムと方法は、カテーテルまたは内視鏡への組み込み、あるいはカテーテルまたは内視鏡に対する通過を可能にするために、幅が約5mm未満の冷却プローブを使用する。したがって、本発明の特定の態様は、細長くて(幅が約3mm未満であるのが最も好ましい)フレキシブルな凍結探針(たとえば心臓カテーテル)を提供する。 The preferred microfreezing system and method of the present invention does not require a finned tube heat exchanger and preferably does not use a finned tube heat exchanger. This is because such devices tend to be quite bulky to achieve the required small area accurate cooling. In a preferred embodiment, the systems and methods of the present invention use a cooling probe that is less than about 5 mm wide to allow for incorporation into or passage through a catheter or endoscope. Thus, certain aspects of the present invention provide a cryoprobe (e.g., a cardiac catheter) that is elongated (most preferably less than about 3 mm wide) and flexible.
(実施例)
(実施例1)
本質的に50重量%のHFC-32と50重量%のCO2からなる伝熱流体を、米国特許第5,744,052号(以後、’052特許と記す)の実施例１に記載の手順にしたがって試験した。蒸気圧を25℃にて測定し、下記のような値を得た。
(Example)
(Example 1)
A heat transfer fluid consisting essentially of 50 wt% HFC-32 and 50 wt% CO 2 was tested according to the procedure described in Example 1 of US Pat. No. 5,744,052 (hereinafter referred to as the '052 patent). . The vapor pressure was measured at 25 ° C., and the following values were obtained.
蒸発した流体の量に対する蒸気圧の変化がこのように大きい(21相対%)ことから、本発明の伝熱流体が非共沸様(non-azeotrope-like)の流体であり、’052特許の第3カラムの第5行に記載の組成物とは対照的である、ということが明確にわかる。この結果はさらに、本発明の伝熱流体は、50%の量が蒸発した後でも、’052特許に開示されている流体のほぼ2倍の蒸気圧を有する、ということを示している。 Since the change in vapor pressure with respect to the amount of evaporated fluid is so large (21% relative), the heat transfer fluid of the present invention is a non-azeotrope-like fluid, and the '052 patent It can be clearly seen that this is in contrast to the composition described in the fifth column of the third column. This result further shows that the heat transfer fluid of the present invention has a vapor pressure approximately twice that of the fluid disclosed in the '052 patent, even after 50% of the amount has evaporated.
(実施例2)
40°FでのHCFC-22の蒸気圧(83psia)と比較するために、本質的にHFC-32とCO2からなる種々の伝熱流体を40°Fでの蒸気圧に関して試験した。この蒸気圧は、米国特許第5,736,063号に記載の三元ブレンド物に対して特許請求しているのと同等の蒸気圧である。蒸気圧の結果を下記に示す。
(Example 2)
To compare with the vapor pressure of HCFC-22 at 40 ° F (83 psia), various heat transfer fluids consisting essentially of HFC-32 and CO 2 were tested for vapor pressure at 40 ° F. This vapor pressure is equivalent to that claimed for the ternary blend described in US Pat. No. 5,736,063. The results of vapor pressure are shown below.
本実施例は、本発明の伝熱流体がHCFC-22より3〜5倍高い蒸気圧を有する、ということを示している。
(実施例3)
本実施例は、単一成分の伝熱流体としてのHFC-32を凌ぐ本発明の伝熱流体の利点を示す。冷媒ガスの燃焼性は、種々の組成物を調製し、そしてこれらの組成物を米国材料試験協会から刊行のASTM E-681法(参照により本明細書に含める)にしたがって試験することによって決定することができる。HFC-32は可燃性のガスとして知られており、多くの重要な用途において単一成分冷媒として使用することはできない。本出願者らは、HFC-32とCO2との種々の組み合わせ物を試験し、本質的にCO2とHFC-32からなると共に、空気中においてあらゆる割合で不燃性のままであるような伝熱流体ブレンド物中に存在することができるHFC-32の最大量は約55モル%(59重量%)である、ということを見出した。言い換えると、本出願者らは、少なくとも45モル%(41重量%)のCO2を〔そして好ましくは55モル%(59重量%)以下のHFC-32を〕含有する本発明の伝熱流体は、空気中においてあらゆる割合で不燃性である、ということを見出した。
This example shows that the heat transfer fluid of the present invention has a vapor pressure 3-5 times higher than HCFC-22.
(Example 3)
This example illustrates the advantages of the heat transfer fluid of the present invention over HFC-32 as a single component heat transfer fluid. Refrigerant gas flammability is determined by preparing various compositions and testing these compositions according to the ASTM E-681 method published by the American Materials Testing Association (included herein by reference). be able to. HFC-32 is known as a flammable gas and cannot be used as a single component refrigerant in many important applications. Applicants have tested various combinations of HFC-32 and CO 2 and are essentially composed of CO 2 and HFC-32 and are transmitted in such a way that they remain incombustible in all proportions in air. It has been found that the maximum amount of HFC-32 that can be present in the hot fluid blend is about 55 mol% (59 wt%). In other words, Applicants have described that the heat transfer fluid of the present invention containing at least 45 mol% (41 wt%) CO 2 (and preferably 55 mol% (59 wt%) or less HFC-32). And found that it is non-flammable in all proportions in the air.
(比較例1)
本実施例は、自動空調システムにおける、本質的にCO2だけからなる伝熱流体の性能特性を示す。試験条件は下記のとおりである。
(Comparative Example 1)
This example shows the performance characteristics of a heat transfer fluid consisting essentially of CO 2 in an automatic air conditioning system. The test conditions are as follows.
これらの条件下では、排出圧力(“DP”)、排出温度(“DT”)、圧縮比、および性能係数(前述した“COP”)に関して下記のようなデータが得られた。 Under these conditions, the following data was obtained regarding the discharge pressure (“DP”), discharge temperature (“DT”), compression ratio, and performance factor (“COP” described above).
(実施例5)
比較例1の場合と同じ試験条件を使用して、本発明の一連の伝熱流体を試験した。試験した流体は、本質的にHFC-32とCO2からなる流体であった。
(Example 5)
A series of heat transfer fluids of the present invention were tested using the same test conditions as in Comparative Example 1. Test fluid was fluid consisting essentially of HFC-32 and CO 2.
排出圧力(“DP”)、排出温度(“DT”)、圧縮比、および性能係数(前述した“COP”)に関して下記のようなデータが得られた。 The following data was obtained regarding the discharge pressure (“DP”), discharge temperature (“DT”), compression ratio, and performance factor (“COP” described above).
上記の結果からわかるように、本発明の伝熱流体は、CO2単独よりかなり高いエネルギー効率を有する。さらに、高いCOP値で示される高効率は、少なくとも約45モル%(41重量%)のCO2を含有していて、したがって不燃性であるような好ましい組成物においてもたらされる。本実施例はさらに、本発明の伝熱流体が、実質的な蒸気漏出の後でも、不燃性を保持しつつHCF-22とほぼ同等の性能を有することができる、ということを示している。 As can be seen from the above results, the heat transfer fluid of the present invention has significantly higher energy efficiency than CO 2 alone. Furthermore, high efficiencies, indicated by high COP values, result in preferred compositions that contain at least about 45 mol% (41 wt%) CO 2 and are therefore non-flammable. This example further shows that the heat transfer fluid of the present invention can have approximately the same performance as HCF-22 while retaining non-flammability even after substantial vapor leakage.
本発明の要旨を逸脱しない範囲において、上記にて説明した本発明に対し、多くの改良や変更を行ってよいのはもちろんである。特定の実施態様について説明してきたが、本発明は特許請求の範囲によってのみ規定される。 Of course, many improvements and modifications may be made to the present invention described above without departing from the scope of the present invention. Although specific embodiments have been described, the invention is defined only by the claims.
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